Capacitor material utilized in the downsizing passive devices and integration of passive devices requires the physical and electrical properties at given area such as capacitor thickness reduction, relative dielectric constant increase, low leakage current and thermal stability. common capacitor mat...
Capacitor material utilized in the downsizing passive devices and integration of passive devices requires the physical and electrical properties at given area such as capacitor thickness reduction, relative dielectric constant increase, low leakage current and thermal stability. common capacitor materials, $Al_2O_3$, $SiO_2$, $Si_3N_4$, $SiO_2$/$Si_3N_4$, TaN and et al., used until recently have reached their physical limits in their application to integration of passive devices. $Ta_2O_{5}$ is known to be a good alternative to the existing materials for the capacitor application because of its high dielectric constant (25~35), low leakage current and high breakdown strength. Despite the numerous investigations of $Ta_2O_{5}$ material, there have little been established the clear understanding of the annealing effect on capacitance characteristic and conduction mechanism. This study presents the dielectric properties $Ta_2O_{5}$ MIM capacitor structure Processed by $O_2$ RTA oxidation. X-ray diffraction patterns showed the existence of amorphous phase in $600^{\circ}C$ annealing under the $O_2$ RTA and the formation of preferentially oriented-$Ta_2O_{5}$ in 650, $700^{\circ}C$ annealing and the AES depth profile showed $O_2$ RTA oxidation effect gives rise to the $O_2$ deficientd into the new layer. The leakage current density respectively, at 3~1l$\times$$10_{-2}$(kV/cm) were $10_{-3}$~$10_{-6}$(A/$\textrm{cm}^2$). In addition, behavior is stable irrespective of applied electric field. the frequency vs capacitance characteristic enhanced stability more then $Ta_2O_{5}$ thin films obtained by $O_2$ reactive sputtering. The capacitance vs voltage measurement that, Vfb(flat-band voltage) was increase dependance on the $O_2$ RTA oxidation temperature.
Capacitor material utilized in the downsizing passive devices and integration of passive devices requires the physical and electrical properties at given area such as capacitor thickness reduction, relative dielectric constant increase, low leakage current and thermal stability. common capacitor materials, $Al_2O_3$, $SiO_2$, $Si_3N_4$, $SiO_2$/$Si_3N_4$, TaN and et al., used until recently have reached their physical limits in their application to integration of passive devices. $Ta_2O_{5}$ is known to be a good alternative to the existing materials for the capacitor application because of its high dielectric constant (25~35), low leakage current and high breakdown strength. Despite the numerous investigations of $Ta_2O_{5}$ material, there have little been established the clear understanding of the annealing effect on capacitance characteristic and conduction mechanism. This study presents the dielectric properties $Ta_2O_{5}$ MIM capacitor structure Processed by $O_2$ RTA oxidation. X-ray diffraction patterns showed the existence of amorphous phase in $600^{\circ}C$ annealing under the $O_2$ RTA and the formation of preferentially oriented-$Ta_2O_{5}$ in 650, $700^{\circ}C$ annealing and the AES depth profile showed $O_2$ RTA oxidation effect gives rise to the $O_2$ deficientd into the new layer. The leakage current density respectively, at 3~1l$\times$$10_{-2}$(kV/cm) were $10_{-3}$~$10_{-6}$(A/$\textrm{cm}^2$). In addition, behavior is stable irrespective of applied electric field. the frequency vs capacitance characteristic enhanced stability more then $Ta_2O_{5}$ thin films obtained by $O_2$ reactive sputtering. The capacitance vs voltage measurement that, Vfb(flat-band voltage) was increase dependance on the $O_2$ RTA oxidation temperature.
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문제 정의
본 연구에서는 공정과 물성을 동시에 개선할 목적으로 탄탈륨(tantalum)을 먼저 스퍼터링법으로 증착시킨 후 결정화 온도 영역의 산소 분위기에서 급속 열처리(RTA) 함으로써 산화(oxidation)와 결정화를 동시에 처리하는 공정으로 유전체 박막을 제조하여 Ta2O5 박막의 성분 분석과 미세구조를 관찰하였으며, MIM(metal-insulator-metal) 커패시터 형태로 제조하고, 전기적 물성을 측정하여 O2 RTA(rapid thermal annealing) oxidation 방법으로 제조된 유전체와 이미 연구된 [9] 반응성 스퍼터링 방법으로 제조된 Ta2O5 박막의 물성을 비교함으로 집적화 수동소자 커패시터의 유전체에 적용하기 위한 가능성 여부에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 집적화 수동소자의 커패시터에 Ta26를 유전체로 적용할 목적으로 탄탈륨(tantalum)을 먼저 스퍼터링 방법으로 증착시킨 후 결정화 온도 영역의 산소 분위기에서 급속 열처리(RTA) 함으로써 산화(oxidation)와 결정화를 동시에 처리하여 공정과 물성을 개선하고자 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
Ta2O5 박막의 결정학적 분석은 X-선 회절분석기를 이용하여 2θ 20~60°까지 분석하였으며, 표면과 단면의 형상은 FE(field emission) SEM, 박막의 두께는 q-step을 이용하여 측정하였다. RTA oxidation 처리된 박막의 수직 방향 성분분 석은 AES(auger electron enWssion)을 이용하여 수직분포 분석 (depth profiling)을 하였다. 이때 모든 분석에 사용한 박막 시료는 상부 전극을 증착하지 않은 상태이다.
Ta2O5 박막의 결정학적 분석은 X-선 회절분석기를 이용하여 2θ 20~60°까지 분석하였으며, 표면과 단면의 형상은 FE(field emission) SEM, 박막의 두께는 q-step을 이용하여 측정하였다. RTA oxidation 처리된 박막의 수직 방향 성분분 석은 AES(auger electron enWssion)을 이용하여 수직분포 분석 (depth profiling)을 하였다.
유전 특성 조사는 위의 박막 제조 조건으로 MIMfmetal- insulator-metal) 구조의 커패시터를 Si 웨이퍼 위에 형성하였으며, 이때 하부전극은 Si 웨이퍼와의 접착력 향상과 확산층 방지를 위하여 티타늄(titanium)으로 500A 의 buffer layer 를 형성한 다음 백금(Pt)을 1800A 두께로 증착하였다. 상부 전극은 직경 2mm 원형 마스크를 이용하여 은(silver)을 열증 착(thermal evaporation)하였으며, 전기적 특성은 Kethily 237 High voltage source measure unit와 HP 4194 A Impee dance/Gain phase analyzer를 이용하여 C-V, OF, I-V를 측정하였다. 그림 1의 (a)에 집적화 커패시터의 단일 소자와 (b) MIM 커패시터 시료의 구성을 나타내었다.
위와 같이 두께와 온도를 달리하여 탄탈륨을 증착하고 02 RTA oxidation 처리한 Ta2O5 박막을 분석한 후 크랙이 발생되지 않고 물성이 양호한 것으로 알려진 500A 미만의 두께를 선정하여 RTA 처리시 화학적 물성 변화를 감안하고, 열적, 전기적으로 안정한 소재인 Pt 하부 전극 위에 Ta2O5 박막 유전체를 320A 형성시켰다. 상부전극은 원형 직경 2mm 소프트 마스크를 설치하고, Ag를 열증착(thermal evapora- tion)하여 MIM 구조의 커패시터를 Si 웨이퍼 위에 제조한 후 전기적인 물성을 측정한 결과 주파수-정전용량 특성은 그림 6의 (a), (b)와 같다.
대상 데이터
TaeOs 커패시터용 유전체 박막의 제조를 위해 p-type (100) Si 웨이퍼를 6X6mm로 절단하여 아세톤과 메탄올 초음파로 오염물질을 세척하고, 표면의 자연 산화층을 10%의 HF(hydrofluoric acid)용액으로 제거한 후 기판을 스퍼터 반 응용기에 설치하였다. 스퍼터링 중 기판 온도는 상온이며, 방 전 조건은 200W로 고정시키고 시간을 달리하여 탄탈륨을 증착시킨 후 다시 산소 분위기 에서 30℃/sec로 승온시켜 각각 시료조건에 해당하는 일정한 온도에서 급속 열처리를 함으로써 탄탈륨이 산화된 Ta2O5 박막을 얻을 수 있었다.
성능/효과
그림 9는 Ta2O5-x 유전체 박막에 대하여 전계강도 변화에 따른 누설전류 밀도를 측정하여 (a)와 (b)에 나타낸 것이다. (a)의 reactive sputtering 방법에 의하여 제조된 TazOs 박막은 3.5 xio5 (kV/cm) 이하의 전계강도 영역에서 비교적 안정한 누설전류 특성을 나타내었고, as-deposited 박막은 3.5 XIO5 (kV/cm) 이후 고전계 영역으로 갈수록 급격히 증가하였으며, 전체적으로는 5.0~8.2 xio5 (kV/cm) 부근에서 급격히 증가된 누설전류는 절연파괴를 유도하였디..
그림 7에 reactive sputtering 방법으로 제조한 TaeOs 박막 (a)와 600, 650, 700℃에서 02 RTA oxidation 처리한 (b)의 C-V를 측정하여 특성 곡선을 나타내었다. reactive sputtering 보다는 O? RTA oxidation에서 accumulation 영역의 정전용량이 크게 나타났으며, RTA oxidation에서 600℃ 보다는 온도가 높은 70CTC에서 ideal C-V 특성을 나타내었다. 이것은 reactive sputtering 방법으로 제조한 유전체 박막은 전극과 Ta2O5 계면에 donor type 의 interface state (new layer) 가 존재한다고 볼 수 있으며, Ta2O5 박막을 제조 후 어닐링 온도가 높을수록 밀도가 감소한다는 것을 나타낸다.
방전 시간을 30, 60, 90, 120(sec)로 하여 p-type(100) Si 웨이퍼 위에 성장시킨 후RTA oxidation 처리한 박막을 a-step으로 두께와 표면 거칠기를 측정하여 그림 2에 나타내었다. Ta2O5 박막의 두께는 320~950A으로 방전 시간과 거의 비례하여 성장하였으며, 표면 거칠기는 방전 시간이 길고 박막의 두께가 두꺼울수록 작아지는 특성을 나타내었다. 또한 O2 RTA oxidation 처리를 함으로써 탄탈륨 박막은 산소와 결합하여 Ta2O5 박막으로 성장하면서 두께가 약 30~ 40% 정도 두꺼워졌음을 관찰할 수 있었디.
상부전극은 원형 직경 2mm 소프트 마스크를 설치하고, Ag를 열증착(thermal evapora- tion)하여 MIM 구조의 커패시터를 Si 웨이퍼 위에 제조한 후 전기적인 물성을 측정한 결과 주파수-정전용량 특성은 그림 6의 (a), (b)와 같다. (a)의 O? reactive sputtering 방법을 적용한 as-deposited와 600℃에서 열처리한 Ta2O5 유전체 박막은 주파수가 증가할수록 정전용량이 급격히 감소하였고, 650℃와 700℃에서 어닐링한 경우는 주파수가 증가하여도 정 전용량 값의 변화는 크지 않음을 알 수 있다. 그러나 02 RTA oxidation 처리한 (b)에서는 RTA 온도에 크게 의존적이지 않은 안정한 정전용량-주파수 특성이 나타났다.
02 RTA oxidation 처리한 탄탈륨 박막은 (002)면의 Ta와 TazOs가 미약하게 혼재된 비정질상이였으나 650℃ 이후의 RTA 온도 증가에 의해 B-TazOs-x상으로 결정화되기 시작하였으며, 주(110) 회절면 2θ의 변화는 거의 없었다. 또한 크랙과 같은 박막의 결함은 발견되지 않았으나 미소하게 grain이 형성되었고, Ta2O5 유전체와 전극 사이의 계면에는 상대적으로 non-stoichiometric하게 산소가 결핍된 층이 존재함을 알 수 있었다.
후속연구
Vfb는 온도의 증가에 따라서 서로 상반된 경향을 나타내었다. Oehrlein 등은 결정화 온도 영역 이하에서 Vfb는 양으로 나타나지만 그 이상에서 음으로 바뀐다는 연구 결과가 있어 본 연구에서의 O2 RTA oxidation 처리에 의해 제조된 Ta2O5 물성과는 서로 상반된 경향이 나타나 좀더 깊이 있는 연구가 필요한 것으로 생각되어 진다[16].
이러한 이유로 그림 4의 (b)에 나타낸 것과 같이 큰 grain boundary가 없이 비교적 안정된 구조로 성장하여 O2 oxidation 되기 때문에 절연파괴 강도가 큰 것으로 사료된다. 그러나 누설전류 측면에서는 Ta2O5 박막의 전기전도 메카니즘과 물리·화학적 분석 데이터를 바탕으로 더 깊이 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 실제 Ta2Os 유전체를 수동소자용 커패시터에 적용하기 위해서는 작은 누설전류를 요구하므로 절연파괴 강도 값은 높더라도 누설전류는 줄일 필요성이 있는 것으로 조사되고 있다.
열처리 온도에 따른 주파수 의존성은 reactive sputtering 방법으로 제조된 Ta2O5 박막보다 우수하게 나타났으며, C-V 특성에서는 Vfb와 Cfb는 이미 발표된 이론과 상반되게 조사되어 전극과 유전체의 계면 효과로 해석하였으나 더 깊은 연구가 필요한 것으로 생각되며, 02 oxidation 처리된 Ta2O5 박막은 절연파괴 값은 다소 높으나 누설전류가 많이 흘러 유전체를 수동소자용 커패시터에 적용하기 위해서는 누설전류를 줄일 필요성이 있는 것으로 조사되었다
참고문헌 (17)
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